Qu'est-ce que le cache CPU et est-ce important ?

Avec des produits comme le Ryzen 7 5800X3D qui remporte la couronne en tant que meilleur processeur pour les jeux, vous vous demandez probablement ce qu'est le cache CPU et pourquoi c'est si important en premier lieu. Nous savons déjà que les prochains processeurs Ryzen 7000 d'AMD et les processeurs Intel Raptor Lake de 13e génération se concentreront sur plus de cache, signalant que ce sera une spécification critique à l'avenir.

Mais devriez-vous vous soucier du cache CPU? Nous allons expliquer ce qu'est le cache du processeur, pourquoi il est si important et comment cela peut faire une énorme différence si vous jouez.

Qu'est-ce que le cache CPU ?

Le cache est la quantité de mémoire qui se trouve dans le processeur lui-même, soit intégrés dans des cœurs individuels, soit partagés entre certains ou tous les cœurs. Il s'agit d'un petit morceau de mémoire dédiée qui vit directement sur le processeur afin que votre CPU n'ait pas besoin de récupérer des informations de la RAM de votre système chaque fois que vous voulez faire quelque chose sur votre PC. Chaque processeur a une petite quantité de cache, les petits processeurs n'obtenant peut-être que quelques kilo-octets, tandis que les gros processeurs peuvent avoir plusieurs mégaoctets de cache.

Mais vous vous demandez peut-être pourquoi le cache est nécessaire quand on a de la RAM, surtout lorsqu'un seul bâton de RAM peut avoir plusieurs gigaoctets de mémoire. Tout est question de performances. Dans les années 1990, le rythme des améliorations de performances entre les processeurs et la RAM a commencé à devenir apparent. Après tout, les concepteurs de CPU se concentraient sur l'augmentation de la vitesse, tandis que les concepteurs de RAM voulaient augmenter la capacité et négligeaient la vitesse. Pour les concepteurs de CPU, c'était un problème car la vitesse de la RAM est un facteur crucial dans les performances du CPU pour de nombreuses applications, et plus l'écart CPU-RAM est grand, plus il serait difficile d'améliorer performance.

Le cache était la solution. Bien que le cache ait peu de capacité par rapport à la RAM, sa vitesse élevée le compense dans la plupart des cas. Le cache n'est cependant pas parfait. Sa principale faiblesse est la taille; le cache est physiquement grand pour le peu qu'il peut stocker. Le cache est également résilient aux rétrécissements de nœuds, alors que les cœurs et autres composants d'un processeur peuvent rétrécir assez facilement d'une génération à l'autre, le cache rétrécit beaucoup moins. Cela fait du cache un composant très coûteux d'un processeur, ce qui est l'une des principales raisons pour lesquelles le cache a généralement une si petite quantité de stockage.

Comment fonctionne le cache ?

L'adoption généralisée du cache a entraîné des implémentations plus nuancées du cache et de la RAM jusqu'à ce que nous s'est retrouvé avec la hiérarchie de la mémoire, avec le cache en haut, la RAM au milieu et le stockage en bas. Cette approche à plusieurs niveaux permet aux données critiques pour le processeur d'être physiquement plus proches du processeur, ce qui réduit la latence et aide votre PC à se sentir plus rapide.

Le cache a sa propre hiérarchie, ou niveaux de cache, qui sont divisés en cache L1, L2 et L3. Ce sont toutes sortes de caches, mais ils remplissent des fonctions légèrement différentes.

Le cache L1 est le premier niveau de cache et aussi le plus petit, généralement divisé en instruction L1 ou L1i et données L1 ou L1d. Chaque cœur d'un processeur possède son bloc exclusif de cache L1, qui ne fait généralement que quelques kilo-octets. Le type de données stockées dans le cache L1 est un élément que le processeur vient d'utiliser ou s'attend à utiliser de manière imminente. Si le CPU a besoin de données qui ne sont pas dans le cache L1, il passe au niveau suivant: L2.

Comme le cache L1, le cache L2 est souvent exclusif à un seul cœur de processeur, mais dans certains processeurs, il est partagé entre plusieurs cœurs. C'est aussi beaucoup, beaucoup plus grand; par exemple, chaque cœur P du Core i9-12900K dispose de 80 Ko de cache L1, ainsi que de 1,25 Mo de cache L2, soit près de 16 fois plus. Cependant, les caches plus grands ont une latence plus élevée, ce qui signifie qu'il faut plus de temps pour que la communication se produise entre le cœur du processeur et le cache. Lorsque les processeurs veulent accomplir des choses en quelques microsecondes ou même en nanosecondes, la latence légèrement plus élevée du cache L2 est importante. Si un processeur ne trouve pas les données demandées dans le cache L2, il demande le niveau suivant: L3.

Le cache L3 est un gros problème: il est partagé entre certains ou tous les cœurs d'un processeur, et il est gros. Le 12900K dispose de 30 Mo de cache L3, par exemple, 24 fois la quantité de cache L2. La latence du cache L3 est encore pire que L2, mais avoir un grand cache L3 est vraiment important pour éviter que le CPU n'ait besoin de demander à la RAM les données nécessaires. À l'exception du stockage, la RAM a la pire vitesse et la plus mauvaise latence dans la hiérarchie de la mémoire, et chaque fois que le processeur doit accéder à la RAM pour les données requises, les choses s'arrêtent. Idéalement, tout ce qui est important sera stocké au moins dans le cache L3 pour éviter un ralentissement massif.

Certains processeurs ont même un cache L4, mais il fonctionne généralement comme la RAM qui se trouve sur le package du processeur. Certains des premiers processeurs 14 nm d'Intel basés sur l'architecture Broadwell comprenaient 128 Mo de DRAM intégrée, et le Les prochains processeurs de serveur Sapphire Rapids de la société peuvent être livrés avec HBM2, qui est en quelque sorte utilisé comme un niveau supplémentaire de cache.

Le cache CPU est-il important pour les jeux ?

Le cache CPU fait une grande différence pour les jeux. Bien que les performances à un seul thread, les instructions par horloge (IPC) et la vitesse d'horloge soient traditionnellement considérées comme les plus facteurs importants dans les performances de jeu, il est devenu très clair que le cache est probablement le facteur le plus important de tous dans la rivalité entre AMD et Intel.

Le cache est si important pour les jeux en raison de la façon dont les jeux sont conçus aujourd'hui. Les jeux modernes ont beaucoup de caractère aléatoire, ce qui signifie que le processeur doit constamment exécuter des instructions simples. Sans assez de cache, votre carte graphique est obligée d'attendre sur votre processeur pendant que les instructions s'accumulent et provoquer un goulot d'étranglement. Vous pouvez voir un exemple de la différence que cela fait avec V-Cache 3D d'AMD la technologie dans Far Cry 6 dessous.

Nous avons constaté une tendance à plus de cache pour les jeux ces dernières années. Les processeurs Ryzen 3000 d'AMD avaient deux fois plus de cache L3 que la génération précédente et étaient beaucoup plus rapides pour les jeux, rattrapant presque Intel. Lorsque Ryzen 5000 a été lancé, AMD n'a pas ajouté plus de cache, mais il a unifié les deux blocs de cache L3 dans le processeur, ce qui a considérablement réduit la latence et placé AMD en tête pour les performances de jeu. AMD a doublé avec sa technologie 3D V-Cache sur le Ryzen 7 5800X3D, qui empile une puce de 64 Mo de cache L3 au-dessus du processeur pour un total de 96 Mo, plus que même le produit phare Ryzen 9 5950X.

Intel a rattrapé AMD, et ses processeurs Alder Lake de la génération actuelle ont jusqu'à 30 Mo de Cache L3, qui est nettement inférieur à la plupart des processeurs Ryzen, mais ils ont aussi beaucoup plus de L1 et L2 cache. Cependant, le désavantage d'Intel en termes de capacité L3 ne signifie pas que les processeurs Ryzen 5000 sont beaucoup plus rapides pour les jeux. Dans notre test du Core i9-12900K, nous avons constaté que le 12900K était à égalité avec le Ryzen 9 5950X pour les performances de jeu.

La course au cache se poursuivra presque certainement avec le prochain Processeurs Ryzen 7000 et Raptor Lake. Ryzen 7000 est confirmé avoir deux fois le cache L2 de Ryzen 5000, et nous verrons probablement plus de processeurs utilisant V-Cache. Pendant ce temps, Intel n'a pas sa propre version de V-Cache, mais Raptor Lake aurait beaucoup plus de cache L3 qu'Alder Lake, juste dans le CPU lui-même.

Recommandations des éditeurs

• La dernière puce V-Cache d'AMD s'avère bon marché, rapide et parfaite pour les jeux
• Comment nous testons les composants et le matériel PC
• Voici pourquoi les gens sont si contrariés par les nouvelles d'aujourd'hui sur Starfield PC
• Les meilleures versions de PC: budget, jeux, montage vidéo, etc.
• AMD vient peut-être d'activer les ordinateurs portables de jeu de type MacBook, mais je suis toujours sceptique